声学四极子拓扑绝缘体中的反常手征边界态

基于量子系统的物理概念在经典的声波体系中构造拓扑态是声学研究最前沿的方向之一。然而对于四极子拓扑绝缘体这一物理模型,已有的研究结果往往只关注能量局域在角上的角模式,而忽略了沿边界传输的边界态。该研究利用超材料单元在声波体系中实现了四极子拓扑绝缘体,通过分析构造的声人工周期单元的拓扑性质,沿特定的路径切割声学超材料晶体实现了反常手征边界态,并进一步构建了一系列支持边界态传输的声学器件。利用有限元仿真软件计算的结果表明该手征边界态在空间上有较好的局域性,对于尖锐的转角和几何缺陷亦具有免疫性。该研究提出的反常手征边界态及相关的输运器件有望应用于空间声场操纵、声学通信、减振降噪等领域。

均匀磁场下二维拓扑绝缘体边缘态的多重Andreev反射研究

研究均匀磁场下的二维拓扑绝缘体在超导隧道结中的电压偏置约瑟夫森结的输运性质,电流-电压特性显示了马约拉纳束缚态的存在。在亚谐隙结构中,也可以观察到磁场对超导能隙的影响。研究结果表明,在S波超导体/正常金属/S波超导结的隧道谱中存在亚谐隙结构。透明度只影响超导结的零偏压电导值的大小,而不影响亚谐隙结构的位置。但是在磁场作用下,亚谐隙结构会发生变化,不再固定出现在特定位置。这一结果对应于拓扑螺旋态中超导和铁磁序之间的相互作用。

基于扩散模型的高阶拓扑绝缘体实时设计

作为一种全新的波控工具,高阶拓扑绝缘体可以将能量鲁棒高效地局域化在低维空间,且对缺陷不敏感.在光子和声子系统中,高阶拓扑绝缘体的快速设计仍然是一项挑战.采用移动可变形孔洞法显式描述C4v对称的单胞构型,并结合能带理论和对称指标刻画其性能(拓扑性质和非平凡带隙宽度).在此基础上,构建了包含几何参数、无量纲化带隙宽度与拓扑性质指标的高阶拓扑绝缘体数据集,并提出了一种基于去噪扩散概率模型(denoising diffusion probabilistic model,DDPM)的实时设计框架.相比采用其他生成式模型的设计框架,DDPM有效避免了训练不稳定和生成保真度低等问题.该框架可以精准且快速地按目标需求或最大化带隙宽度逆向设计力学高阶拓扑绝缘体,在单机上生成所需设计的平均相对误差在3.5%以内,平均耗时仅需0.01 s,相比传统逆向设计方法效率提升6~7个数量级.通过使用Wasserstein距离度量逆向设计样本的多样性,该框架相较基于深度学习代理模型的优化设计结果,表现出更高的生成结果多样性.此外,所得设计具有显式描述的几何信息,可以直接与CAD/CAE软件结合,避免了隐式描述算法中的后处理步骤.这种基于DDPM的实时设计框架可扩展应用于多物理场拓扑材料和其他类型超材料的逆向设计,并为构建声子和光子拓扑材料的数据库提供了基础.

三维拓扑绝缘体超材料光电效应仿真

提出了一种基于三维拓扑绝缘体Bi_(1.5)Sb_(0.5)Te_(1.8)Se_(1.2)的周期性方环阵列超材料结构。仿真结果表明超材料结构的表面等离子体共振强度随阵列周期和方环内环尺寸的减小而增大,其中,当周期为300 nm或尺寸为25 nm时,可以限制80%的电磁波在表面态上。此外,通过仿真正、斜圆偏振光入射下超材料和非超材料结构的表面电场随偏振态的变化关系,得到了两种结构正、斜入射下的圆二色性;结果表明,超材料结构圆二色性数值为0.92,远大于非超材料结构,并且该超材料结构的圆偏振分量在总偏振光电流分量的占比有显著提升,这是因为有更多的自旋电子被圆偏振光从拓扑表面态激发到体导带上。

声学四极子拓扑绝缘体中的位错态

四极子拓扑绝缘体是人们提出的第一类高阶拓扑绝缘体,它具有量子化的四极矩而偶极矩为零.四极子拓扑绝缘体拓宽了传统的体-边对应关系,从而观察到了更低维度的拓扑边界态.最近,由局域在位错附近的拓扑缺陷态主导的体-位错对应关系引起了许多研究者的关注,其将晶格倒易空间的拓扑结构与位错态的出现联系起来.本文研究了声学四极子拓扑绝缘体中的位错态.在具有非平庸相的声学四极子拓扑绝缘体中嵌入部分具有平庸相的晶格,此时在由两种具有不同拓扑相晶格形成边界的角落处就会产生可以用1/2量化分数电荷表征的位错态.通过在系统内部引入缺陷,验证了此拓扑位错态的鲁棒性.此外,还证明了通过运用不同嵌入晶格的方式可以随意设计位错态的位置.本工作中研究的拓扑位错态拓宽了人工结构中高阶拓扑物态的种类,并为高阶拓扑绝缘体在声学中的应用(如声传感和高性能能量收集)提供了新的思路.

低维拓扑绝缘体的凝聚态之美

低维拓扑绝缘体是凝聚态物理在半导体功率器件和固体材料上的研究方向,物理学家结合凝聚态物理和拓扑学的理论,对于低维度的碲化汞(HgTe)等拓扑绝缘体的固体结构和电子自旋性质进行了探索和研究.量子自旋霍尔效应和拓扑量子双重态是低维拓扑绝缘体的两个关键性质,对于拓扑绝缘体的物质组态和能带结构的预言和发现具有重要作用,并使用强场物理的手段进行了实验的证明.低维拓扑绝缘体是凝聚态物理的前沿理论和材料应用,同时融合了数论拓扑学的理论,具有低维度的凝聚态之美.

磁性拓扑绝缘体中的量子输运现象

磁性拓扑绝缘体是过去十年里凝聚态物理学领域的一个重要研究方向,其拓扑非平庸能带结构与自旋、轨道、电荷、维度等自由度之间的相互作用可以产生丰富的拓扑量子物态和拓扑相变现象.对磁性拓扑绝缘体输运性质的研究是探索其新奇物性的重要手段,对于深入理解拓扑量子物态以及开发新型低功耗电子学器件具有重要意义.本文回顾了近年来磁性拓扑绝缘体输运实验方面的重要研究进展,包括磁性掺杂拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应和拓扑量子相变现象、本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)中的量子反常霍尔相、轴子绝缘体相和陈绝缘体相,以及在脉冲强磁场下陈绝缘体演化出的螺旋式拓扑物态.最后,本文对未来磁性拓扑绝缘体研究的方向和该体系中尚未充分理解的输运现象进行了分析和展望.

基于拓扑绝缘体异质结的宽带太赫兹探测器

二维材料中的新量子态对凝聚态物理和现代光电器件的发展具有重要意义。然而具有宽带、室温和快速响应能力的太赫兹光电探测技术,由于缺乏暗电流和光吸收之间的最佳平衡,仍然面临着巨大的挑战。在这项研究中,作者合成了新型拓扑绝缘体材料GeBi_(4)Te_(7),并搭建了其与Bi_(2)Te_(3)的范德华异质结,以实现高灵敏度的太赫兹光电探测器。在平面金属-材料-金属结构中实现了在室温下将低光子能量太赫兹波段直接转化为光电流。结果表明,基于Bi_(2)Te_(3)-GeBi_(4)Te_(7)的太赫兹光电探测器能够实现0.02~0.54 THz的宽谱探测,且具有很高的光响应率(在0.112、0.27、0.5 THz下分别为592 V·W^(-1)、203 V·W^(-1)、40 V·W^(-1)),响应时间小于6μs。值得注意的是,它被用于高频太赫兹的成像应用演示。这些结果为Bi_(2)Te_(3)-GeBi_(4)Te_(7)拓扑绝缘体异质结材料的低能量光电应用开辟了可行性途径。

拓扑绝缘体中量子霍尔效应的研究进展

三维拓扑绝缘体因其独特的物性备受研究人员关注,而拓扑表面态的输运是探索其新奇物性的重要手段.其中,拓扑表面态的量子霍尔效应则是拓扑绝缘体输运研究的一个重要内容.本文简要回顾了拓扑绝缘体中量子霍尔效应的实现与发展.比较了拓扑表面态量子霍尔效应与其他体系的差别,讨论了其材料体系的发展,并介绍了其中的标度律行为.之后详细回顾了实验上对拓扑表面态量子霍尔效应磁性近邻与栅压调控等方面的研究.最后,展望了拓扑绝缘体中量子霍尔态的研究前景,希望能促进拓扑绝缘体的应用.

基于拓扑绝缘体纳米线约瑟夫森结的反常临界超流增强和半整数夏皮洛台阶

基于拓扑绝缘体材料的约瑟夫森结是寻找马约拉纳零能模的候选器件,因而受到拓扑量子计算研究领域的关注.这方面实验的关键之一,是制备具有优质结区的约瑟夫森器件.本工作在三维拓扑绝缘体Bi_(2)Te_(3)和Bi_(2)(Se_(x)Te_(1-x))_(3)纳米线上制作了约瑟夫森结器件,研究了其结区的超导邻近效应、多重安德列夫反射和超流-相位关系,观测到了约瑟夫森结的临界超流随磁场增大而反常地增大、其交流约瑟夫森效应出现半整数的夏皮洛台阶的实验结果.本文还讨论了这些反常现象的可能来源,特别是与结区界面处超导电极的Ti缓冲层和拓扑绝缘体纳米线中的Te元素形成TiTe铁磁性合金层的关系.

本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)研究进展

本征磁性拓扑绝缘体非平庸拓扑态和磁有序的相互作用使其具备量子反常霍尔效应和轴子绝缘体等奇异物理性质,在低功耗拓扑自旋电子器件及拓扑量子计算等方面展现广泛应用前景.自2019年第一种本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)在实验上被发现以来,该材料体系领域迅速吸引了大量研究者的目光,引发了研究热潮.本文将从MnBi_(2)Te_(4)基本性质出发,介绍近期本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)的一些重要研究成果,着重阐述MnBi_2T_e4系列的量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态和马约拉纳零能模等拓扑量子态,并列举该材料体系其他研究方向及目前存在的问题.最后,总结并展望MnBi_(2)Te_(4)的下一步研究,期望为相关领域人员的研究提供一定参考价值.

拓扑绝缘体(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜制备及其电输运性能研究

文章利用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)法,在超高真空的条件下,于蓝宝石衬底上制备超薄的高质量拓扑绝缘体(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜。利用反射高能电子衍射(reflection high-energy electron diffraction, RHEED)仪、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)仪、显微共焦激光拉曼光谱仪(micro confocal laser Raman spectrometer)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)仪对不同Sb掺杂量的样品进行表征,并获得最佳的制备参数。研究结果表明:衬底温度为460℃时Bi和Te的流量比为1∶16左右;在Sb温度为350、360、370、380℃时,可以制得高质量的(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜。利用霍尔效应测量系统测量样品的电阻率、霍尔系数、迁移率和载流子浓度;测量结果表明,(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜的载流子浓度和主要载流子类型随x的变化而发生相应的变化,并伴随着费米能级位置的调谐,随着x的增加,在x=0.53到x=0.68的掺杂过程中,费米能级从导带下移到带隙,最终进入价带,多数载流子类型也从自由电子转变成空穴,(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)实现了从n型到p型的转化。

拓扑绝缘体与函数型光子晶体分界面上的Goos-Hänchen位移调控

运用传输矩阵法和固定相位法研究拓扑绝缘体与SINC函数型光子晶体分界面上的Goos-Hänchen效应。结果表明,两种线极化波在分界面处的Goos-Hänchen位移随入射角、拓扑绝缘体的介电常数、函数光子晶体周期数不同而呈现不一样的规律。可以通过调节入射线极化波的入射角、改变函数光子晶体周期数或在表面涂覆不同的拓扑绝缘体来控制分界面上的Goos-Hänchen位移。

一维δ势场下的弗洛凯拓扑绝缘体

本文研究了一种一维情况下的弗洛凯拓扑绝缘体模型。这种模型采用了势场波形为δ势,并且具有时间周期的外加场,通过改变一维原子链格点上的能量来引起系统的拓扑相变。本方法通过将系统由静态模型转变为含时模型,之后再采用弗洛凯理论,在高频情况下对哈密顿量进行处理,使得系统获得等效的跃迁,这些等效跃迁的大小与发生跃迁的两个原子的相对位置以及外加场的参数有关。通过调节外加场的参数,可以实现系统的拓扑相变。基于对发生拓扑相变前后系统能带图像、概率分布以及拓扑不变量的计算,找到了此时间周期场调控下拓扑绝缘体的拓扑位相转变条件。

二维高阶拓扑绝缘体拓扑相变以及光电导研究

我们研究了二维高阶拓扑绝缘体在面外磁化下的拓扑相变以及光电导行为。我们发现,不依赖于电子轨道的塞曼项不破坏系统的高阶拓扑性质以及角态的存在,但是不能产生非零的霍尔光电导。依赖于电子轨道的塞曼项可能带来新的拓扑相变,产生陈绝缘体相。拓扑相变点对应于光电导的峰值或跃变点。这些现象为我们利用光学手段表征和检测二维高阶拓扑绝缘相提供了新的可能性。

二维光子拓扑绝缘体研究进展

受凝聚态拓扑绝缘体研究的启发,整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等拓扑物理相继在光学系统中实现。光子系统因能带干净,样品设计简单且制作精度高等优势,逐渐成为研究物理拓扑模型和新型拓扑效应的重要平台。拓扑光子学提供了全新的调控光场和操控光子的方法,其拓扑保护的边界态可实现光子对材料杂质缺陷免疫的传播,这种传统光子系统不具备的理想的传输态有望驱动新型光学集成器件的变革。本文将从二维光学体系出发,简要介绍几种典型的光拓扑绝缘体的最新进展,例如光整数量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、光Floquet拓扑绝缘体、拓扑安德森绝缘体和高阶拓扑绝缘体。文中重点介绍了上述几种光拓扑绝缘体的拓扑模型及其新型的拓扑现象,并在最后展望了新型光学拓扑效应及其在光学器件中的应用前景。

拓扑绝缘体Bi_2Se_3单晶体的研究进展

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理和材料科学研究的热门课题,其独特的电子态结构使其在自旋电子器件和量子计算机等领域拥有巨大的应用潜力。阐述了拓扑绝缘体Bi2Se3单晶的制备方法﹑输运性质以及表面调控效应等方面的最近进展;总结了各种化学掺杂方法对Bi2Se3费米能级的影响,同时展望了今后Bi2Se3的研究发展方向。

拓扑绝缘体二维纳米结构与器件

拓扑绝缘体是一种全新的量子功能材料,具有绝缘性体能带结构和受时间反演对称性保护的自旋分辨的金属表面态,属于Dirac粒子系统,将在新原理纳电子器件、自旋器件、量子计算、表面催化和清洁能源等方面有广泛的应用前景.理论和实验相继证实Sb2Te3,Bi2Se3和Bi2Te3单晶具有较大的体能隙和单一Dirac锥表面态,已经迅速成为了拓扑绝缘体研究中的热点材料.然而,利用传统的高温烧结法所制成的拓扑绝缘体单晶块体样品常存在大量本征缺陷并被严重掺杂,拓扑表面态的新奇性质很容易被体载流子掩盖.拓扑绝缘体二维纳米结构具有超高比表面积和能带结构的可调控性,能显著降低体态载流子的比例和凸显拓扑表面态,并易于制备高结晶质量的单晶样品,各种低维异质结构以及平面器件.近年来,我们一直致力于发展拓扑绝缘体二维纳米结构的控制生长方法和物性研究.我们发展了拓扑绝缘体二维纳米结构的范德华外延方法,实现了高质量大比表面积的拓扑绝缘体二维纳米结构的可控制备,并实现了定点与定向的表面生长.开展拓扑绝缘体二维纳米结构的谱学研究,利用角分辨光电子能谱直接观察到拓扑绝缘体狄拉克锥形的表面电子能带结构,发现了拉曼强度与位移随层数的依赖关系.设计并构建拓扑绝缘体纳米结构器件,系统研究其新奇物性,观测到拓扑绝缘体Bi2Se3表面态的Aharonov-Bohm(AB)量子干涉效应等新奇量子现象,通过栅电压实现了拓扑绝缘体纳米薄片化学势的调控,并将拓扑绝缘体纳米结构应用于柔性透明导电薄膜.本文首先简单介绍拓扑绝缘体的发展现状,然后系统介绍我们开展的拓扑绝缘体二维纳米结构的范德华外延生长、谱学、电学输运特性以及透明柔性导电薄膜应用的研究,最后对该领域所面临的机遇和挑战进行简要的展望.

磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

量子反常霍尔绝缘体,有时也被称为陈数绝缘体,是不同于普通绝缘体和拓扑绝缘体的一类新的二维绝缘体,该体系具有可被实验观测的特殊物理性质—量子反常霍尔效应。该体系的物态不能用朗道对称性破缺理论来描写,而要用到拓扑物态的概念。它的发现也经历了从反常霍尔效应的内秉物性阐释,到量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的发现,再到磁性拓扑绝缘体的理论预测与实现,并最终成功实验观测的漫长过程。由于量子反常霍尔效应的实现不需要外加磁场,而此时样品的边缘态可以被看成一根无能耗的理想导线,因此人们对于其将来可能的应用充满了期待。本文将从理论的角度简单综述该领域的发展历程、基本概念、以及相关的材料系统。

Sb_2Te_3拓扑绝缘体薄膜的MBE制备研究

文章以高纯Sb和Te为锑源和碲源,使用分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)设备,在超高真空条件下外延生长拓扑绝缘体薄膜。通过XRD(X-ray diffraction)、SEM(scanning electron microscope)等检测手段对薄膜样品进行物像和表面分析,研究了不同衬底温度、束流大小和束流比、生长时间等因素对薄膜质量的影响。